地铁暗挖隧道倾斜掌子面开挖研究

余 乐， 黄 柯， 程 毅， 周生波， 张雨帆

(西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室，四川成都 610031)

在地铁区间的建设中，盾构法占据着主流的地位。固然，盾构法具有高效的掘进速度，对各种地层，尤其是软弱地层，具有出色的适应能力，同时，盾构机对施工的安全性也是一个强有力的保障。

然而，盾构施工也需要昂贵的设备，同时伴随着竖井开挖、盾构机吊装、拼装等配套工序，这都意味着大量的时间及资金投入。尽管在掘进过程中，盾构法较暗挖法有更低的施工成本和更快的建造速度，但如果仅进行短距离地掘进，其庞大的前期投入势必使其存在经济上的弊端。同时，由于盾构隧道断面基本为圆形，形状单一，对于区间隧道中断面变换的需求，其难以适应。

而暗挖法简单易行，可适应短距离掘进，并可灵活变换圆形、马蹄形、联拱等各种断面形式，因此也作为一种重要的工法在我国地铁建设中广泛采用。然而城市地铁通常埋深较浅，大多处于第四纪软弱地层中，围岩欠固结，成拱困难，这都使暗挖施工中常常面临土体失稳、坍塌的风险。

1 研究背景

1.1 浅埋隧道暗挖施工的稳定性

软弱围岩中小埋深隧道的稳定性是一个广为研究的话题。

日本[1-2]用模型试验的方法，模拟了覆跨比(H/D，H为隧道覆土厚度，D为隧道跨度)0.5～4的软弱或砂质地层隧道的开挖过程。研究中发现：隧道开挖时，掌子面同时出现较大的水平及竖向位移，尤其是其上半部，出现了很大的变形，为隧道开挖最危险的区域；施工中隧道拱顶围岩发生松动，其范围取决于隧道埋深及断面尺寸，软弱或砂质围岩中拱顶松动区可向上扩展相当于两倍洞径的高度。

Oreste等[3]使用FLAC，对覆跨比为1、2、5的隧道进行了3D建模分析。研究认为：对无黏性土，在无地层预加固的情况下，即使覆跨比为2，隧道开挖形成的拱顶塑性区也能贯通至地表；而对黏性土，其塑性区则集中于掌子面前上方，向上扩展有限。

Pierre Chambon等[4]通过离心试验，对非黏结性土体中隧道掌子面的稳定性进行了研究，描绘了不同埋深下(覆跨比为0.5、1、2、4)掌子面的坍落形状。坍落区主要位于掌子面前上方，其范围至掌子面前方0.5D，拱顶上方1D。

对浅埋隧道掌子面的失稳形态，Mair[5]给出了更为一般的概念解释图(图1)，黏土隧道的塌落区在向上扩展的同时范围逐步变宽；对砂土隧道，其基本沿洞壁垂直向上扩展。

(a) 黏土

(b) 砂土

软弱地层中的浅埋隧道先天缺乏稳定性，施工中掌子面及其前上方围岩常常未等开挖即已松动，产生很大地变形，甚至导致坍塌。

1.2 倾斜掌子面开挖工法

在隧道施工中，当属传统的直掌子面全断面开挖法最为方便快捷，但其稳定性也最差，在浅埋隧道中难以直接采用。为提高掌子面稳定性，常常采用台阶开挖或预留核心土，全断面法则需结合新意法[6]对核心土进行加固才可采用。

改变掌子面形状也是提高掌子面稳定性的方法，目前这方面有球形掌子面和倾斜掌子面。

英国[7]将倾斜掌子面运用于LaserShell法中，于2002年在伦敦希思罗机场五号航站楼的一条下穿公路隧道的建设中首次采用。其采用倾斜掌子面全断面开挖，同时用喷射钢纤维混凝土作为初衬材料以替代钢拱架和钢筋网的使用(图2)。

图2 英国在LaserShell法中倾斜掌子面开挖

英国目前已用这这种方法完成了多条隧道的建设，由于其采用全断面替代台阶，减少了衬砌的接点，从而提高了衬砌质量[7]。

而日本[8]则曾在松本隧道的建设中采用倾斜掌子面开挖以防止坍塌，掌子面倾斜约20°，与台阶法相结合，同时运用了掌子面锚杆及喷射混凝土(图3)。

图3 日本在松本隧道中所采用的倾斜掌子面

在国内，这种方法未见使用记录，但关宝树[9]、赵勇[10]、李鹏飞[11]都曾介绍此工法，认为此法可以改善掌子面受力形态，减小掌子面变形量，提高掌子面稳定性，从而降低掌子面处作业人员的风险。

2 模型计算

2.1 模型建立

隧道断面选取地铁暗挖隧道常用的单车道马蹄形断面，断面跨度5.980 m，高度为6.047 m。拱顶覆土厚12 m，覆跨比为2。地层材料选用土质围岩中岩性较好的碎石土[12]，围岩分级为V级。在此条件下，隧道开挖往往还需采用超前加固、预支护等措施，但本文旨在研究掌子面倾斜时隧道的受力形态，因此计算中仅考虑了喷射混凝土作初期支护，初支厚0.25 m，各材料参数如表1所示。

表1 计算材料力学参数

计算工况中掌子面倾斜分0°、10°、20°、30°、40°，同时增设了预留核心土环形法工况开挖作为对比(表2)。

表2 模型计算工况

为节省计算成本，模型仅取一半进行计算。所有工况模型纵向长80 m。宽30 m，高45 m，都由约22万单元构成。

2.2 开挖过程

模型开挖进尺为1 m，为了模拟实际工程中初支施作及其材料达到结构刚度前围岩发生地变形，初衬距掌子面有1 m的水平距离。倾斜掌子面模型沿隧道开挖方向由三部分组成，依次为：

过渡区I——平均长度30 m，掌子面倾斜角度从0°逐步过渡到工况倾斜角度；

倾斜区——长20 m，隧道在整个区域以工况倾斜角度开挖；

过渡区II——平均长度30 m，掌子面从工况倾斜角度逐步过渡到0°。

最终只讨论倾斜区中部(也即模型中部)的计算结果(图4)。

3 结果分析

3.1 拱顶位移分析

拱顶位移选取各模型中部拱顶正上方点，曲线如图5所示。

图5 各工况拱顶沉降曲线

各曲线规律基本相似，拱顶沉降在掌子面前方1～1.5倍洞径处开始缓慢发展，在掌子面附近变化速率达到峰值，在掌子面后2～3倍洞径处趋于稳定。增大掌子面倾斜角度可使沉降发展更为滞后，但如果掌子面倾斜角度过大(达40°)或采用预留核心土环形开挖法，则拱顶沉降量在发展中可超过掌子面倾斜角度更低的工况。

拱顶先行位移即为掌子面正上方拱顶的沉降值。一般情况下，拱顶先行位移占总位移的20 %～30 %，但在软弱围岩条件下，此值可超过30 %甚至50 %，如不及时支护，则可引发大变形或掌子面拱顶坍塌[9]。

如图6所示，拱顶先行位移大小受工况影响明显，增大掌子面倾斜角度或采用预留核心土环形开挖显著降低了拱顶先行位移占总位移的比例，这对浅埋隧道原本薄弱的掌子面稳定性无疑是很大的改善。但掌子面倾斜角度过大(达40°)时，最终沉降量出现上升，这对隧道结构不利。

3.2 掌子面塑性区分析

各工况下掌子面处塑性区截面及剖面图如图7所示。

塑性区延洞周均有分布，当采用直掌子面全断面开挖时，塑性区主要分布于拱顶上方，在掌子面前0.5D处开始发展，并在掌子面前发展至最大高度，约1.6 m。浅埋隧道的施工中，拱顶围岩常常在掌子面前方即已出现松动，对开挖后的成拱带来不利影响，因此在地铁施工中常常采用超前小导管进行注浆加固。增大掌子面倾斜角度也对拱顶塑性区的发展表现出显著的抑制作用。

从图7(f)可看出，预留核心土环形开挖法也可降低拱顶塑性区范围，故在地铁隧道的开挖中经常采用。从截面看，其塑性区范围介于掌子面倾斜角度20°～30°之间。

(b) 掌子面倾斜10°

(d) 掌子面倾斜30°

(e) 掌子面倾斜40°

(f) 预留核心土环形开挖

3.3 掌子面应力路径分析

应力路径法由Lambe等[13-14]提出，此法基于莫尔库伦理论。取某点应力所对应莫尔圆正上方点，记该点坐标为(p,q)，则：p=(σ1+σ3)/2,q=(σ1-σ3)/2。点(p,q)在该点应力历史中的迹线即构成应力路径。

将各极限应力状态所对应点(p,q)连成线即构成kf线(图8)，该线表达式为：

q=a+ptanα

其与莫尔库伦理论中f线之间的关系为：

sinφ=tanα

c=acosφ

应力路径接近kf线意味着其莫尔圆靠近f线，其应力状态越接近屈服。

本文取拱顶正上方0.75 m处单元，绘其应力路径如图9所示。各工况应力路径发展历程基本相似，其在掌子面前方最为接近kf线，在到达掌子面位置前p、q值均出现减小，拱顶表现出松动。

图8 f线与kf线关系示意图

(a) 掌子面倾斜0° p/kPa

(b) 掌子面倾斜10° p/kPa

(c) 掌子面倾斜20° p/kPa

(d) 掌子面倾斜30° p/kPa

(e) 掌子面倾斜40° p/kPa

(f) 环形开挖预留核心土 p/kPa

在掌子面倾斜角度为0°、10°、20°的全断面开挖工况中，该点出现屈服，通过增大掌子面倾斜角度可使应力路径远离kf线，从而降低围岩屈服的风险，与之相对应的是拱顶塑性区范围地减小。预留核心土环形开挖法的应力路径与掌子面倾斜30°相似。

4 结论

本文运用FLAC 3D，在仅考虑初衬的情况下模拟了不同掌子面倾斜角度下地铁隧道的开挖过程，得出以下结论：

(1) 与常规的直掌子面全断面开挖法相比，通过增大掌子面倾斜角度可显著降低拱顶先行位移，使拱顶应力路径远离屈服线，减小拱顶塑性区范围，这三者相互关联，使开挖中掌子面和拱顶均表现出更好的稳定性。

(2) 采用预留核心土环形开挖法对三者同样具有优化作用，其效果介于掌子面倾斜角度20°～30°之间。

(3) 本文条件下当掌子面倾斜角度达40°时拱顶最终沉降量将出现增加，因此掌子面倾斜角度应当限制，并非越大越好，这尚待优化。